Luận văn Nghiên cứu biến tính bề mặt than hoạt tính gắn Oxit sắt từ làm vật liệu xử lý Asen và kim loại nặng trong nước sinh hoạt

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu biến tính bề mặt than hoạt tính gắn Oxit sắt từ làm vật liệu xử lý Asen và kim loại nặng trong nước sinh hoạt

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------------------- Nguyễn Thị Hằng NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH BỀ MẶT THAN HOẠT TÍNH GẮN OXIT SẮT TỪ LÀM VẬT LIỆU XỬ LÝ ASEN VÀ KIM LOẠI NẶNG TRONG NƢỚC SINH HOẠT LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Hà Nội, 2017 i
2. TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------------------- Nguyễn Thị Hằng NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH BỀ MẶT THAN HOẠT TÍNH GẮN OXIT SẮT TỪ LÀM VẬT LIỆU XỬ LÝ ASEN VÀ KIM LOẠI NẶNG TRONG NƢỚC SINH HOẠT Chuyên ngành: Hóa môi trƣờng Mã số: 60440120 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS. Lê Thị Hải Lê PGS.TS. Trần Hồng Côn Hà Nội, 2017 ii
3. LỜI CẢM ƠN Với tấm lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS Trần Hồng Côn và TS. Lê Thị Hải Lê đã giao đề tài và nhiệt tình giúp đỡ, cho em những kiến thức quý báu trong quá trình nghiên cứu khoa học. Tôi chân thành cảm ơn các anh, chị và các bạn sinh viên làm việc tại Phòng thí nghiệm Hóa môi trƣờng đã giúp đỡ tôi trong quá trình làm nghiên cứu khoa học. Để hoàn thành luận văn này, ngoài sự nỗ lực tìm tòi, nghiên cứu của bản thân, sự giúp đỡ của những ngƣời xung quanh, đặc biệt là các thầy, cô Phòng thí nghiệm Hóa môi trƣờng đã đóng góp một phần không nhỏ trong nghiên cứu này. Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 29 tháng 10 năm 2017 Học viên cao học Nguyễn Thị Hằng iii
4. MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................. i MỤC LỤC ................................................................................................................... ii DANH MỤC HÌNH ................................................................................................... vi DANH MỤC BẢNG ................................................................................................ viii MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1 Chƣơng 1 - TỔNG QUAN .......................................................................................... 2 1.1. Vấn đề ô nhiễm nƣớc ........................................................................................... 2 1.2. Ô nhiễm asen và phƣơng pháp xử lý .................................................................... 2 1.2.1. Nguồn gốc ô nhiễm asen trong nƣớc ............................................................ 2 1.2.2. Tính chất của asen ......................................................................................... 3 1.2.3. Độc tính của asen. ......................................................................................... 7 1.2.4. Tình hình ô nhiễm asen hiện nay ................................................................ 10 1.2.5. Các phƣơng pháp xử lý asen ....................................................................... 14 1.2.5.1. Phƣơng pháp tạo kết tủa ...................................................................... 14 1.2.5.2. Phƣơng pháp trao đổi ion .................................................................... 14 1.2.5.3. Phƣơng pháp hấp phụ .......................................................................... 15 1.2.5.4. Phƣơng pháp sinh học ......................................................................... 15 1.3. Mangan và phƣơng pháp xử lý .......................................................................... 17 1.3.1. Nguyên tố mangan và dạng tồn tại của mangan trong tự nhiên ................. 17 1.3.2. Một số tính chất cơ bản của mangan .......................................................... 17 1.3.3. Độc tính của mangan .................................................................................. 19 1.3.4. Phƣơng pháp xử lý ...................................................................................... 19 iv
5. 1.4. Than hoạt tính và cấu trúc bề mặt than hoạt tính ............................................... 20 1.4.1. Than hoạt tính ............................................................................................. 20 1.4.2. Cấu trúc xốp của bề mặt than hoạt tính ...................................................... 23 1.4.3. Cấu trúc hóa học của bề mặt ...................................................................... 25 1.4.4. Tâm hoạt động trên bề mặt than ................................................................. 26 1.4.5. Biến tính bề mặt than hoạt tính ................................................................... 27 1.4.5.1. Biến tính than hoạt tính bằng nitơ ....................................................... 27 1.4.5.2. Biến tính bề mặt than bằng halogen .................................................... 28 1.4.5.3. Biến tính bề mặt than bằng sự lƣu huỳnh hóa. .................................... 28 1.4.5.4. Biến tính than hoạt tính bằng cách tẩm ............................................... 28 1.5. Oxit sắt từ ........................................................................................................... 29 1.5.1. Cấu trúc ....................................................................................................... 29 1.5.2. Tính chất từ của vật liệu ............................................................................. 30 1.5.3. Điều oxit sắt từ bằng phƣơng pháp đồng kết tủa ........................................ 30 1.5.4. Ứng dụng của oxit sắt từ ............................................................................. 31 Chƣơng 2 - THỰC NGHIỆM ................................................................................... 32 2.1. Đối tƣợng nghiên cứu......................................................................................... 32 2.2. Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................................... 32 2.3. Nội dung nghiên cứu .......................................................................................... 32 2.4. Danh mục thiết bị, hóa chất cần thiết cho nghiên cứu. ...................................... 33 2.4.1. Hóa chất ...................................................................................................... 33 2.4.2. Thiết bị và dụng cụ. .................................................................................... 34 2.5. Phƣơng pháp phân tích asen và mangan trong nƣớc. ........................................ 34 v
6. 2.5.1. Phân tích asen ............................................................................................. 34 2.5.2. Phân tích mangan ........................................................................................ 35 2.6. Chế tạo các loại vật liệu hấp phụ. ...................................................................... 37 2.7. Các phƣơng pháp đánh giá đặc tính của vật liệu hấp phụ. ................................. 41 2.7.1. Phƣơng pháp tán xạ năng lƣợng tia X (EDS-Energy Dispersive Analysis of X-rays spectrocopy) .............................................................................................. 41 2.7.2. Phƣơng pháp xác định giá trị pH tại điểm đẳng điện ................................. 42 2.7.3. Phƣơng pháp đánh giá khả năng hấp phụ của vật liệu................................ 43 2.7.3.1. Khảo sát thời gian cân bằng hấp phụ ................................................... 43 2.7.3.2. Khảo sát ảnh hƣởng của pH đến khả năng hấp phụ của vật liệu ......... 43 2.7.3.3. Khảo sát tải trọng hấp phụ của vật liệu ............................................... 43 Chƣơng 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .............................................................. 46 3.1. Các đặc trƣng của than hoạt tính nguyên liệu .................................................... 46 3.1.1. Đặc trƣng cấu trúc của vật liệu ................................................................... 46 3.1.2. Xác định giá trị pHpzc .................................................................................. 47 3.2. Khảo sát khả năng hấp phụ asen của vật liệu ..................................................... 48 3.2.1. Khảo sát sơ bộ khả năng hấp phụ của vật liệu ............................................ 48 3.2.2. Khảo sát thời gian cân bằng hấp phụ asen của vật liệu VL1 3% và VL2 3%49 3.2.3. Khảo sát ảnh hƣởng của pH đến khả năng hấp phụ asen của vật liệu VL1 3% và VL2 3% ...................................................................................................... 51 3.2.4. Khảo sát tải trọng hấp phụ cực đại của asen trên vật liệu VL1 3%, VL2 1%, VL2 3% và VL2 5% ...................................................................................... 52 3.2.5. Khảo sát khả năng hấp phụ động asen của VL2 3%................................... 58 3.3. Khảo sát khả năng hấp phụ mangan của vật liệu ............................................... 59 vi
7. 3.3.1 Khảo sát thời gian cân bằng hấp phụ mangan (Mn2+)của vật liệu VL1 3% và VL2 3% ............................................................................................................ 59 3.3.2. Khảo sát ảnh hƣởng của pH đến khả năng hấp phụ Mn2+ của vật liệu VL1 3% và VL2 3% ...................................................................................................... 62 3.3.3. Khảo sát tải trọng hấp phụ cực đại Mn2+ của vật liệu VL1 3% và VL2 3%63 KẾT LUẬN ............................................................................................................... 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 68 vii
8. DANH MỤC HÌNH Hình 1.1(a)- Ngƣời dân Đông Lỗ đang sử dụng nƣớc chứa asen (b)-Triệu chứng bị sừng hóa và vết sám tay khi nhiễm asen lâu ngày ....................... 8 Hình 1.2 Bản đồ phân bố khu vực ô nhiễm asen trên thế giới .................................. 11 Hình 1.3 Bản đồ ô nhiễm asen ở Bangladesh ........................................................... 12 Hình 1.4 Bản đồ ô nhiễm asen ở Mỹ ........................................................................ 12 Hình 1.5 Các khu vực ô nhiễm asen tại Việt Nam .................................................... 12 Hình 1.6 Bản đồ ô nhiễm asen tại khu vực Đồng bằng sông Hồng .......................... 13 Hình 1.7 Cấu trúc tinh thể Fe3O4 .............................................................................. 29 Hình 1.8 Cơ chế hình thành và phát triển hạt nanô trong dung dịch ........................ 31 Hình 2.1 Đƣờng chuẩn của mangan .......................................................................... 37 3+ Hình 2.2 Dung dịch Fe tƣơng ứng hàm lƣợng Fe3O4/than ..................................... 38 Hình 2.3 Mang sắt từ lên than (VL1) ........................................................................ 39 2+ 3+ Hình 2.4 Dung dịch hỗn hợp (Fe + Fe ) tƣơng ứng hàm lƣợng Fe3O4/than ......... 40 Hình 2.5 Mang sắt từ lên than (VL2) ........................................................................ 40 Hình 2.6 Nguyên lý của phép phân tích EDS. .......................................................... 41 Hình 2.7 Đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir ........................................................ 45 Hình 2.8 Đồ thị dạng tuyến tính của phƣơng trình Langmuir .................................. 45 Hình 3.1 Giản đồ EDS của các mẫu than hoạt tính và VL1 3%, VL2 3%.............46 Hình 3.2 Xác định giá trị pHpzc của vật liệu .............................................................. 47 Hình 3.3 Biến thiên nồng độ theo thời gian hấp phụ ................................................ 50 Hình 3.4 Biến thiên dung lƣợng hấp phụ asen theo thời gian hấp phụ của VL1 3%và VL2 3%.....................................................................................................................50 Hình 3.5 Khả năng hấp phụ asen của VL1 3% và VL2 3% ở các giá trị pH ............ 52 Hình 3.6 Đƣờng đẳng nhiệt Langmuir hấp phụ asen của VL1 3% ........................... 53 Hình 3.7 Đƣờng đẳng nhiệt Langmuir hấp phụ asen của VL2 1% ........................... 54 Hình 3.8 Đƣờng đẳng nhiệt Langmuir hấp phụ asen của VL2 3% ........................... 55 Hình 3.9 Đƣờng đẳng nhiệt Langmuir hấp phụ asen của VL2 5% ........................... 56 viii
9. Hình 3.10 Đƣờng cong hấp phụ động ....................................................................... 59 Hình 3.11 Khảo sát thời gian cân bằng hấp phụ mangan của VL1 3% .................... 61 Hình 3.12 Khảo sát thời gian cân bằng hấp phụ mangan của VL2 3% .................... 61 Hình 3.13 Khả năng hấp phụ mangan của VL1 3% và VL2 3% ở các giá trị pH .... 63 Hình 3. 14 Đƣờng đẳng nhiệt Langmuir hấp phụ Mn2+ của VL1 3% ...................... 64 Hình 3. 15 Đƣờng đẳng nhiệt Langmuir hấp phụ Mn2+ của VL2 3% ...................... 66 ix
10. DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Sự phân bố các monen từ spin của các ion Fe2+ và Fe3+ ........................... 29 Bảng 2.1 Đƣờng chuẩn mangan ............................................................................... 36 Bảng 3.1 Giá trị pH trƣớc và sau hấp phụ ................................................................. 47 Bảng 3.2 Kết quả khảo sát sơ bộ khả năng hấp phụ của VL1 .................................. 48 Bảng 3.3 Kết quả khảo sát sơ bộ khả năng hấp phụ của VL2 .................................. 48 Bảng 3.4 Kết quả khảo sát thời gian cân bằng hấp phụ asen của VL1 3% và VL2 3% .............................................................................................................................. 49 Bảng 3.5 Ảnh hƣởng pH đến khả năng hấp phụ asen của VL1 3% và VL2 3% ...... 51 Bảng 3.6 Khảo sát tải trọng hấp phụ cực đại asen của VL1 3% ............................... 53 Bảng 3.7 Khảo sát tải trọng hấp phụ cực đại asen của VL2 1% ............................... 54 Bảng 3.8 Khảo sát tải trọng hấp phụ cực đại asen của VL2 3% ............................... 55 Bảng 3.9 Khảo sát tải trọng hấp phụ cực đại asen của VL2 5% ............................... 56 Bảng 3.10 Kết quả khảo sát quá trình hấp phụ động ................................................ 58 Bảng 3.11 Kết quả khảo sát thời gian cân bằng hấp phụ Mn2+ của VL1 3% và VL2 3% .............................................................................................................................. 60 Bảng 3.12 Ảnh hƣởng pH đến khả năng hấp phụ Mn2+ của VL1 3% và VL2 3% .. 62 Bảng 3.13 Khảo sát tải trọng hấp phụ cực đại Mn2+của VL1 3% ............................. 64 Bảng 3.14 Khảo sát tải trọng hấp phụ cực đại Mn2+ của VL2 3% ............................ 65 x